華北平原區(qū)蒙古櫟幼苗栽培條件研究

原陽晨,龐久帥,周苗苗,任俊杰,劉洪山,張國偉,劉建英,王利佳,楊敏生

(1 河北省洪崖山國有林場(chǎng),河北 保定 071000;2 河北農(nóng)業(yè)大學(xué) 林學(xué)院,河北 保定 071000)

蒙古櫟(Quercusmongolica)又名柞櫟、柞樹等,為殼斗科(Fagaceae)櫟屬(Quercus)落葉闊葉木本植物[1]。蒙古櫟主要分布于我國華北及東北部,既是我國溫帶、暖溫帶地區(qū)落葉闊葉混交林和針闊混交林的主要樹種,也是經(jīng)濟(jì)用材林、薪炭林、防風(fēng)固沙、森林防火的優(yōu)良樹種[2-4]。隨著中國經(jīng)濟(jì)和科技的飛速發(fā)展,生態(tài)環(huán)境保護(hù)和生態(tài)文明建設(shè)成為人類社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn),蒙古櫟作為我國北方典型鄉(xiāng)土樹種,根系發(fā)達(dá),樹體高大,樹冠優(yōu)美,適應(yīng)性強(qiáng),是環(huán)境綠化和平原地區(qū)荒漠化改造的潛力樹種[5]。

蒙古櫟生于海拔200～2 100 m的山地,在華北地區(qū)海拔800 m以上生長良好,大苗抗逆性較強(qiáng),由山地移栽平原易成活,但幼苗在平原苗圃栽植常出現(xiàn)黃葉焦邊、生長不良等現(xiàn)象[6]。截至目前,國內(nèi)外學(xué)者對(duì)蒙古櫟的研究主要集中在分布范圍、地理變異、種源差異、種間關(guān)系、林分結(jié)構(gòu)、群落學(xué)特征和蒙古櫟的生物學(xué)、生態(tài)習(xí)性、病蟲害防治等方面,關(guān)于蒙古櫟栽培的研究均基于其適宜的海拔和氣候等環(huán)境條件下,對(duì)播種育苗、苗期管理、苗木移栽和造林撫育等技術(shù)的探討,有關(guān)蒙古櫟幼苗在平原地區(qū)的培育和栽植鮮見報(bào)道[7-27]。本研究通過對(duì)華北平原地區(qū)蒙古櫟幼苗栽植條件的正交試驗(yàn),探究光照、有機(jī)質(zhì)、FeSO4肥料和鐵、錳等微量元素對(duì)蒙古櫟幼苗生長的影響,以期解決蒙古櫟幼苗期因環(huán)境因素影響所造成生長發(fā)育不良、黃葉焦邊現(xiàn)象,為蒙古櫟在華北平原地區(qū)的健康生長和規(guī)?；a(chǎn)提供理論依據(jù)和技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

蒙古櫟為河北易縣七里亭示范場(chǎng)苗圃基地培育的健壯、無病蟲害、長勢(shì)一致的2年生實(shí)生苗木,試驗(yàn)共設(shè)計(jì)16個(gè)處理組,每組200株苗木,共選取3 200株蒙古櫟幼苗。

1.2 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于河北易縣七里亭示范場(chǎng),屬華北平原地區(qū),海拔為50 m,覆蓋層土壤以黃土和中粗砂為主,經(jīng)測(cè)定試驗(yàn)地土壤平均pH值為7.73,地理坐標(biāo)為E 115°33′3″,N 39°21′10″。該地區(qū)四季分明,屬于暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候,年平均氣溫13.5 ℃,極端最高氣溫41.0 ℃,最低氣溫-23.1 ℃,全年最低氣溫在1月,最高氣溫在7月。平均無霜期186 d,降水主要集中在7、8月,全年降水量在570～670 mm之間。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)、實(shí)施與管理 試驗(yàn)采用L16(45)的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),設(shè)置4因素4水平的正交試驗(yàn)(表1)。2020年4月5日在河北易縣七里亭示范場(chǎng)苗圃基地進(jìn)行試驗(yàn),遮陰棚搭建以及營養(yǎng)土(有機(jī)質(zhì))和FeSO4的施入同步進(jìn)行。遮陰處理,搭建長20 m、寬12.5 m、高2 m的遮陰棚3個(gè),分別覆蓋1層、2層、3層遮陽網(wǎng),外加不遮陰共4種處理;營養(yǎng)土(有機(jī)質(zhì))處理,將營養(yǎng)土與原土3∶7、1∶1、7∶3的比例進(jìn)行混勻,外加不混營養(yǎng)土共4種處理;FeSO4處理,在已摻入營養(yǎng)土的處理中根據(jù)正交試驗(yàn)分別每0.3 m3土壤對(duì)應(yīng)施入100、150、200 g的FeSO4混勻,外加不施用FeSO4共4種處理。將混勻營養(yǎng)土和FeSO4的土壤按照試驗(yàn)重復(fù)次數(shù)進(jìn)行裝盆(30 cm×30 cm),并將2年生的蒙古櫟幼苗栽入盆中,同時(shí)根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)將處理好的苗木放入對(duì)應(yīng)層數(shù)遮陰棚下已開好的溝內(nèi),并覆土,然后灌水。微量元素處理,5月中旬蒙古櫟展葉期,用自來水和微量元素(極量鐵、極量錳)配置成5%、7%、9%的微量元素溶液,根據(jù)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行葉面噴肥,外加不噴施微量元素共4種不同處理。

試驗(yàn)期間,每隔半個(gè)月對(duì)試驗(yàn)地進(jìn)行除草,防止雜草與蒙古櫟進(jìn)行養(yǎng)分競(jìng)爭(zhēng)。根據(jù)天氣情況進(jìn)行灌水,土壤含水量保持在60%左右。在高溫雨季,保證排水系統(tǒng)正常運(yùn)轉(zhuǎn),根據(jù)苗木生長情況,適時(shí)噴施多菌靈1 000倍液和辛硫磷1 000倍液等藥劑,預(yù)防病蟲害的發(fā)生。

1.3.2 生長指標(biāo)測(cè)定 每隔15 d統(tǒng)計(jì)幼苗的苗高、基徑和葉片數(shù)(5月份展葉期進(jìn)行觀測(cè)),觀察苗木長勢(shì),苗高使用卷尺測(cè)量,精確到0.01 cm;基徑使用游標(biāo)卡尺測(cè)量,精確到0.01 mm。觀察苗木的生長發(fā)育情況以及苗木死亡情況。10月份待苗木停止生長后進(jìn)行生物量測(cè)定,每組處理隨機(jī)選取3株,并編號(hào)。在實(shí)驗(yàn)室于根頸處剪斷,測(cè)量地上部莖葉鮮重和根鮮重,然后置于烘箱,經(jīng)105 ℃殺青15 min,再85 ℃烘至恒重,冷卻后,測(cè)定莖葉干重和根干重。

1.3.3 生理指標(biāo)測(cè)定 8月31日下午5時(shí)在處理7和處理1(對(duì)照組)中隨機(jī)選取3株蒙古櫟苗木,每株苗木東、南、西、北4個(gè)方向摘取一定數(shù)量的功能葉片,將相同處理植株的葉片混勻,然后進(jìn)行生理指標(biāo)測(cè)定。葉綠素、葉色參數(shù)和花色素苷含量的測(cè)定均為3次重復(fù),質(zhì)膜相對(duì)透性的測(cè)定10次重復(fù)。

蒙古櫟葉綠素a、葉綠素b、葉綠素總量和類胡蘿卜素的測(cè)定參照鄒琦、李合生的方法[28-29];花色素苷含量的測(cè)定參照李昕蔓的方法[30];質(zhì)膜相對(duì)透性以相對(duì)電導(dǎo)率的大小表示,參照邸銳的方法[31];葉色參數(shù)L*、a*、b*的測(cè)定參照Wang的方法[32]。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

運(yùn)用Excle 2007對(duì)試驗(yàn)調(diào)查數(shù)據(jù)進(jìn)行整理統(tǒng)計(jì),再用SPSS 21.0軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析、極差分析和多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理組合對(duì)蒙古櫟生長的影響

不同處理組合蒙古櫟的生長結(jié)果,見表2。

表2 不同處理組合蒙古櫟的生長結(jié)果(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 2 Growth results of Q. mongolica in different treatment combinations(Mean ± SE)

由表2可知,苗木高度以處理7最高,為93.67 cm,顯著高于除處理2、處理3、處理5、處理14、處理15外的其他處理;基徑以處理7最高,為12.33 mm,顯著高于除處理3、處理12、處理15外的其他處理;葉片總數(shù)以處理7最高,為90.67片,顯著高于處理1、處理4、處理6、處理16;莖葉干重以處理7最高,為37.36 g,顯著高于除處理3、處理15外的其他處理;莖葉鮮重、根鮮重、根干重均以處理7最高,分別為75.56、72.87、35.54 g,顯著高于除處理15外的其他處理。在16個(gè)處理中,處理7與處理15的7個(gè)生長指標(biāo)并無顯著差異,但各指標(biāo)的數(shù)值均大于處理15,所以處理7的蒙古櫟幼苗生長情況最好,即30%有機(jī)質(zhì)、2層遮陽網(wǎng)、200 g/m2FeSO4、0%微量元素為最佳。

2.2 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差和極差分析

正交試驗(yàn)結(jié)果的方差和極差分析,見表3、表4。

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析和極差分析Table 3 Analysis of variance and range of orthogonal test results

表4 正交試驗(yàn)結(jié)果的方差分析和極差分析Table 4 Analysis of variance and range of orthogonal test results

由表3、表4可知,苗高指標(biāo)中遮陰的P=0.030<0.05,有機(jī)質(zhì)的P=0.588>0.05,FeSO4的P=0.256>0.05,微量元素的P=0.896>0.05,說明遮陰對(duì)蒙古櫟幼苗高生長的影響達(dá)到顯著水平,而有機(jī)質(zhì)、FeSO4和微量元素對(duì)蒙古櫟幼苗高生長的影響未達(dá)到顯著水平。同理分析可知,基徑、莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重、根干重5個(gè)生長指標(biāo),僅遮陰的影響達(dá)到顯著水平,另外3種因素均無顯著影響,同時(shí),4種因素對(duì)葉片總數(shù)的影響均未達(dá)到顯著水平。極差分析表明,蒙古櫟幼苗的苗高、基徑、葉片總數(shù)、莖葉鮮重、莖葉干重、根鮮重、根干重7個(gè)生長指標(biāo)中,遮陰在7個(gè)指標(biāo)中極差值均最大,位居首位;FeSO4在6個(gè)指標(biāo)中極差值位居第二,1個(gè)指標(biāo)第三;微量元素在1個(gè)指標(biāo)中極差值位居第二,4個(gè)指標(biāo)第三,2個(gè)指標(biāo)第四;有機(jī)質(zhì)在2個(gè)指標(biāo)中極差值位居第三,5個(gè)指標(biāo)第四。綜上所述,4個(gè)因素對(duì)蒙古櫟幼苗7個(gè)生長指標(biāo)的影響排序?yàn)椋赫陉?FeSO4>微量元素>有機(jī)質(zhì)。根據(jù)方差分析和極差分析結(jié)果,最佳組合仍為30%有機(jī)質(zhì)、2層遮陽網(wǎng)、200 g/m2FeSO4、0%微量元素。

2.3 遮陰對(duì)蒙古櫟幼苗生長情況的多重比較結(jié)果

遮陰對(duì)蒙古櫟幼苗生長情況的多重比較結(jié)果,見表5。

根據(jù)方差和極差分析結(jié)果,有機(jī)質(zhì)、微量元素和FeSO4對(duì)蒙古櫟生長影響不顯著,所以只對(duì)遮陰因素進(jìn)行多重比較分析。由表5可知,遮陰因素影響中,水平2層的基徑、莖葉鮮重、莖葉干重顯著高于水平0層、1層和3層;水平0層、3層的苗高、根鮮重、根干重顯著低于水平2層,水平1層的苗高、根鮮重、根干重與其他水平均無顯著差異;4個(gè)水平的葉片總數(shù)無顯著差異?？梢?6項(xiàng)測(cè)定指標(biāo)最優(yōu)為水平2層,因?yàn)槿~片總數(shù)的4個(gè)水平無顯著差異,所以綜合7項(xiàng)指標(biāo)最優(yōu)為水平2層。

表5 遮陰對(duì)蒙古櫟幼苗生長情況的多重比較結(jié)果Table 5 Multiple comparison results of shading on the growth of Q. mongolica seedlings

2.4 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗的形態(tài)特征和生理差異

2.4.1 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗形態(tài)特征 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗形態(tài)特征,見圖1。

注：(a)(b)(c)表示處理1(對(duì)照組)蒙古櫟幼苗形態(tài);(d)(e)(f)表示處理7蒙古櫟幼苗形態(tài)。圖1 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗形態(tài)特征Figure 1 Morphological characteristics of "Treatment 1" and "Treatment 7" of Q. mongolica seedlings

由圖1可知,處理1(對(duì)照組a、b、c)的蒙古櫟苗木葉片表現(xiàn)為失綠、變黃、卷縮和邊緣焦枯現(xiàn)象,同時(shí)處理1的平均苗高48.67 cm、基徑6.81 mm、葉片總數(shù)36.67片、莖葉鮮重20.91 g、莖葉干重9.96 g、根鮮重24.52 g、根干重10.50 g;圖中處理7(d、e、f)的蒙古櫟葉片翠綠、厚實(shí)、葉面積大,無黃葉焦邊現(xiàn)象,同時(shí)處理7的平均苗高93.67 cm、基徑12.33 mm、葉片總數(shù)90.67片、莖葉鮮重75.76 g、莖葉干重37.36 g、根鮮重72.87 g、根干重35.54 g。對(duì)比2個(gè)處理的生長形態(tài)和生長指標(biāo),處理1蒙古櫟葉片發(fā)黃、焦枯、數(shù)量少,枝條纖細(xì),根系細(xì)弱且側(cè)根少,因此導(dǎo)致苗木葉片較容易脫落,光合作用嚴(yán)重受限,生長發(fā)育不良,樹勢(shì)逐漸衰弱;處理7蒙古櫟葉片墨綠、寬大、數(shù)量多,枝條粗壯,根系發(fā)達(dá)且側(cè)根多,因此苗木具備旺盛的光合能力可制造大量的營養(yǎng)物質(zhì),苗木生長健壯、發(fā)育充實(shí)。

2.4.2 “處理1”與“處理7”蒙古櫟幼苗各項(xiàng)生理指標(biāo)差異 “處理1”與“處理7”的各項(xiàng)生理指標(biāo)對(duì)比,見表6。

表6 “處理1”與“處理7”的各項(xiàng)生理指標(biāo)對(duì)比(均值±標(biāo)準(zhǔn)誤)Table 6 Comparison of various physiological indexes between "treatment 1" and "treatment 7"(Mean ± SE)

由表6可知,處理7葉片的葉綠素a含量、葉綠素b含量和葉綠素總量分別較處理1高出8.42倍、30.50倍和10.12倍,表明處理7葉片的葉綠素含量遠(yuǎn)高于處理1,光合作用能力遠(yuǎn)強(qiáng)于處理1;處理7的類胡蘿卜素含量較處理1高出2.91倍,表明處理7葉片的輔助采光能力遠(yuǎn)強(qiáng)于處理1;處理1的a*值、b*值和L*值均大于處理7,試驗(yàn)中處理1的葉片顏色呈現(xiàn)亮、白、黃,處理7葉片顏色為暗綠色;處理7的花色素苷含量較處理1高出1.93倍,表明處理7葉片的抗氧化能力遠(yuǎn)強(qiáng)于處理1;處理7葉片的相對(duì)電導(dǎo)率較處理1低5.8%,表明處理7的抗逆性強(qiáng)于處理1?？傮w來看,處理7葉片的光合作用、光保護(hù)作用、抗氧化作用和抵抗能力均優(yōu)于處理1。

3 討論與結(jié)論

3.1 討論

通過正交試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),遮陰對(duì)蒙古櫟的6個(gè)生長指標(biāo)影響顯著,FeSO4雖然對(duì)所有測(cè)定指標(biāo)均無顯著影響,但在6個(gè)生長指標(biāo)的極差值位居第二,有機(jī)質(zhì)和微量元素對(duì)測(cè)定指標(biāo)均無顯著影響,極差值也普遍位于第三或第四。這是因?yàn)楣庹諏?duì)地球天氣和氣候的形成起決定性作用,是地球氣候形成的最主要影響因子,也是植物生長進(jìn)行光合作用的必要元素[33-34]。不同海拔高度的光輻射不同,氣候環(huán)境不同,蒙古櫟在華北地區(qū)海拔800 m以上生長良好,因此在平原低海拔地區(qū)對(duì)光照表現(xiàn)極為敏感。多重比較結(jié)果2層遮陽網(wǎng)效果顯著優(yōu)于其他水平,莖葉生物量和根生物量最高,這與李東勝等的研究全光照和輕度遮陰條件下總生物量和根生物量最高的結(jié)論相反,原因是平原地區(qū)全光照和輕度遮陰條件下光輻射強(qiáng)溫度較高,導(dǎo)致蒙古櫟葉片變黃焦枯和氣孔關(guān)閉,凈光合速率下降,營養(yǎng)物質(zhì)積累少,因此蒙古櫟各器官生物量小[35]。

FeSO4能夠補(bǔ)充植物鐵元素,促進(jìn)多種元素的吸收,改良土壤酸堿平衡和降低其堿性等作用,蒙古櫟喜于pH為5.5～7.0的土壤,而試驗(yàn)地土壤pH均值為7.73,因此FeSO4對(duì)蒙古櫟的生長影響較大。蒙古櫟耐寒、耐旱、耐瘠薄,且多生長于山地,對(duì)有機(jī)質(zhì)需求量少,平原地區(qū)(苗圃基地)土壤結(jié)構(gòu)好,孔隙度好,因此試驗(yàn)中有機(jī)質(zhì)和微量元素對(duì)蒙古櫟的影響較弱[36-37]。

葉綠素是植物進(jìn)行光合作用吸收光能的主要色素分子,強(qiáng)光一般會(huì)抑制植物葉綠素的合成[38]。處理1(對(duì)照組)葉綠素a、葉綠素b含量顯著低于處理7,葉片黃化和葉綠素的含量有直接關(guān)系,因此葉綠素a、葉綠素b含量的降低是處理1葉片變黃的主要原因[39]。b*由負(fù)轉(zhuǎn)正由藍(lán)變黃,L*由小變大由暗轉(zhuǎn)亮,處理1葉色參數(shù)b*、L*明顯高于處理7,表明處理1葉片較處理7更黃更亮。葉片色素比例和種類是葉片呈現(xiàn)色彩的直接原因,處理1葉片類胡蘿卜素/葉綠素總量遠(yuǎn)大于處理7,同時(shí)花色素苷只有占主導(dǎo)地位時(shí)才會(huì)呈現(xiàn)顏色,所以推測(cè)類胡蘿卜素/葉綠素總量決定了蒙古櫟葉片的呈色,本試驗(yàn)處理1葉片呈現(xiàn)黃色,原因是蒙古櫟在平原地區(qū)因光照強(qiáng)度過大,葉綠素合成的前體物質(zhì)受阻或加速了葉綠素的降解,葉綠素a與葉綠素b的含量在高光下顯著下降,致使葉片中類胡蘿卜素占比變大,葉片呈現(xiàn)黃色[40]。

本研究發(fā)現(xiàn)處理7葉色參數(shù)b*、L*明顯低于處理1,同時(shí)葉綠素a含量、葉綠素b含量和花色素苷含量均顯著高于處理1,葉綠素含量和花色素苷含量越高葉色參數(shù)b*、L*越低,所以得到葉綠素和花色素苷含量同葉色參數(shù)成負(fù)相關(guān)關(guān)系,這與潘晶晶等的研究結(jié)果一致[41]。處理7與處理1的葉色參數(shù)a*相近均為負(fù)值,原因可能是2個(gè)處理組葉片色相分別為綠色和黃色,沒有轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色的跡象。處理1葉片的電導(dǎo)率較處理7大,表明處理1葉片電解質(zhì)外滲量大,膜透性增大程度高,原因是處理7蒙古櫟生長健壯,樹勢(shì)強(qiáng),抗逆性強(qiáng),細(xì)胞膜受損傷小,電解質(zhì)外滲量小,所以電導(dǎo)率小。本試驗(yàn)研究了華北平原地區(qū)影響蒙古櫟幼苗正常生長的外界因子,探明了主要影響因子和因子的最佳處理水平,今后將繼續(xù)加深對(duì)健康蒙古櫟幼苗的生理和分子評(píng)價(jià)。

3.2 結(jié)論

本研究以蒙古櫟2年生幼苗為材料,采用L16(45)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),通過多重比較、方差分析和極差分析以及最佳處理組與對(duì)照組生理指標(biāo)的對(duì)比,研究遮陰、FeSO4、有機(jī)質(zhì)和微量元素對(duì)蒙古櫟生長的影響。(1)在各因素對(duì)蒙古櫟生長指標(biāo)影響的方差分析中,只有遮陰對(duì)苗高、基徑、莖葉干重、莖葉鮮重、根鮮重、根干重影響顯著,FeSO4、有機(jī)質(zhì)和微量元素對(duì)蒙古櫟生長指標(biāo)的影響均未達(dá)到顯著水平,表明蒙古櫟的生長對(duì)光照表現(xiàn)最為敏感;(2)在各因素對(duì)蒙古櫟生長指標(biāo)影響的極差分析中,遮陰在7個(gè)生長指標(biāo)中極差值均最大,位居首位;FeSO4在6個(gè)生長指標(biāo)中極差值位居第二;微量元素在1個(gè)指標(biāo)中極差值位居第二;有機(jī)質(zhì)的極差值在7個(gè)生長指標(biāo)中均位居第三或第四。表明遮陰對(duì)蒙古櫟生長的影響占主導(dǎo)地位,FeSO4次之,微量元素和有機(jī)質(zhì)分別位居第三和第四。(3)16個(gè)不同處理組合的正交試驗(yàn)中,處理7的苗高93.67 cm、基徑12.33 mm、葉片總數(shù)90.67片、莖葉鮮重75.76 g、莖葉干重37.36 g、根鮮重72.87 g、根干重35.54 g,7項(xiàng)生長指標(biāo)均表現(xiàn)最佳,表明處理7(2層遮陽網(wǎng)、200 g/m2FeSO4、30%有機(jī)質(zhì)和0%微量元素)最適宜蒙古櫟幼苗的生長。(4)生理指標(biāo)顯示,處理7葉片的葉綠素總量較處理1高出10.12倍,類胡蘿卜素含量較處理1高出2.91倍,花色素苷含量較處理1高出1.93倍,相對(duì)電導(dǎo)率較處理1低5.8%,表明處理7葉片的光合作用、抗氧化作用、光保護(hù)能力和抗逆性均優(yōu)于處理1。在平原區(qū)按照處理7(2層遮陽網(wǎng)、200 g/m2FeSO4、30%有機(jī)質(zhì)和0%微量元素)的栽培方式培育蒙古櫟,有利于蒙古櫟的健康生長和規(guī)?；a(chǎn)。